黏重土壤条件下仿生栽植器设计与试验.pdf

黏重土壤条件下仿生栽植器设计与试验 冯 超 null 喻丽华 null 罗 震 null 韩忠禄 null 吴雪梅 null 张大斌 null nullnull贵州大学 机械工程学院 贵阳 nullnullnullnullnullnull nullnull贵州省农业机械技术推广总站 贵阳 nullnullnullnullnullnull 摘 要 为解决黏重土壤条件下机械移栽作业时栽植器易粘土 严重影响移栽质量和效率的问题 根据翠鸟嘴 部外轮廓 野猪吻突部位和蜣螂体表非光滑结构 采用曲线提取 拟合 构造及相似原理设计并加工出两种仿生 栽植器 在自制移栽试验平台上进行试验研究 结果表明 最小粘附土壤量栽植条件为仿生栽植器 null 土壤含水 率为 nullnullnullnullnull 入土深度为 nullnullnullnull 栽植频率为 nullnull 株 nullnullnullnull 通过验证对比试验可知 土壤含水率为 nullnullnullnullnull 栽植频 率为 nullnull 株 nullnullnullnull 栽植深度分别为 nullnull nullnull nullnullnullnull 时 仿生栽植器 null的粘附土壤量相比于原型栽植器的粘附土壤量 分别减少 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 仿生栽植器有较好的减粘降阻效果 其思路可为农机具触土部件的减粘设计 提供参考 关键词 栽植器 仿生设计 减粘 黏重土壤 正交试验 中图分类号 S223 92 S220 3 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2023 06 0197 06 0 引言 栽植器是旱地移栽机的关键部件 主要通过插 入 张开 拔出 闭合的过程完成小苗的栽植 其设计 的好坏直接影响栽植质量和效率 黏重土壤条件下 作业时 栽植器粘附土壤严重 大大降低了移栽质量 和效率 刘国敏 null 利用耦合仿生原理 设计并加工了 耦合仿生粘附试样 探讨形态 结构及润滑对耦合仿 生粘附试样减粘降阻功能的影响 佟金 李建桥 nullnullnull 等模仿田鼠爪趾弯曲轮廓形状设计的仿生弯曲型深 松部件 减阻效果明显 赵淑红 null 等仿旗鱼头部曲线 型开沟器 可有效降低工作阻力 王兆亮 null 等根据野 猪吻突部位设计的起垄铲有良好的减阻效果 赵雄 等 null 根据土壤动物步甲的掘土器官大颚的体表结构 设计的非光滑仿生铲片 具有良好的减阻特性 杨玉 婉等 null 基于鼹鼠多趾结构特征设计的仿生切土刀片 具有较好的切土性能等 上述学者的研究成果表明 将仿生原理运用到农机具触土部件上具有可行性 笔者针对栽植器在黏重土壤条件下作业时粘土 严重的问题 依据翠鸟嘴部外轮廓曲线 野猪吻突部 收稿日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基金项目 贵州省科技计划项目 黔科合支撑 nullnullnullnull nullnullnullnull 号 贵州 省农业产业技术体系建设专项 nullnullnullnull 贵州省科技计划 项目 黔科合平台人才 nullnullnullnull nullnullnullnull 号 作者简介 冯 超 nullnullnullnullnull 男 江苏邳州人 硕士研究生 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 通讯作者 喻丽华 nullnullnullnullnull 女 贵州铜仁人 正高级实验师 博士 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 位曲线和蜣螂体表凸包非光滑结构设计了仿生栽植 器 并通过试验验证仿生栽植器减粘设计的有效性 以期为小苗移栽机械栽植器的设计与优化提供可行 的研究方法 1 栽植器仿生设计与制造 1 1 栽植器仿生设计思想 旱地移栽机的栽植器因其形状酷似鸭嘴俗称鸭 嘴栽植器 栽植作业时 栽植鸭嘴以一定速度插入土 壤 随之从土壤拔出 鸭嘴张开落苗 完成小苗的移 栽 栽植过程中 鸭嘴需要频繁地与土壤滑动接触 在实际使用过程中发现 当在黏重土壤且土壤墒情较 好条件下作业时 栽植鸭嘴表面时常粘附土体 影响 栽植质量 当粘附土体较多时 必须停机清除粘土 人 工清除土体费时费力 而且大大降低了移栽效率 图 null 为鸭嘴栽植器粘土情况 图 null 栽植器粘土情况 nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull 年 null 月 农 机 化 研 究 第 null 期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 06 030 翠鸟主要以捕食鱼类为生 如图 null null 所示 null 其嘴部呈流线型 从空气中以极快的速度插入水中捕 食鱼类 可见其自身的减阻特性非常优异 null 野猪具 有拱土觅食的特性 经过长期的进化 null 其拱鼻具有良 好的减粘降阻性能 null 如图 null null 所示 蜣螂是典型 的土壤动物 具有优异的脱附减阻能力 为此 以翠 鸟嘴部外轮廓曲线为脊线 以野猪吻突部位素线为素 线 构造仿生栽植器 null 蜣螂体表具有的凸包形非光滑结构可有效减少 与土壤接触和粘附表面 对其脱附减阻起到了重要的 作用 如图 null null 所示 nullnull 基于此 以上述仿生栽植器 null为基础 通过在外表面增设凸包形非光滑结构获得 仿生栽植器 null 图 null 仿生对象示意图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 1 2 栽植器仿生设计与制造 null 仿生栽植器 null设计 根据文献 null 获取翠鸟头 部二维图形 对图形进行灰度化和二值化处理 将处 理后所得的图像以 nullnullnull 格式导入到 nullnullnullnullnullnull 中 运用 nullnullnullnullnullnull 对翠鸟嘴部外轮廓曲线图像进行提取 将得到 的外轮廓图像导入 nullnullnull 中 记录翠鸟嘴部外轮廓曲线 的数据点 X Y 轴参考位置坐标 将记录的所有数据点 的坐标导入 nullnullnullnullnullnull 中进行曲线拟合 获得翠鸟嘴部外 轮廓拟合曲线方程为 f x a null nullnullnull x b null c null null a null nullnullnull x b null c null null null 其中 a null null nullnullnullnull b null null nullnullnullnull c null null nullnullnullnull a null null nullnullnullnullnullnull b null nullnullnullnullnull c null nullnullnullnullnullnull 拟合优度 R null nullnullnullnullnullnull 根据文献 null 中的研究 野猪吻突部位减粘降阻 特性最佳的曲线为素线 B 如图 null null 所示 其拟合方 程为 y a x null b x c null 其中 a null nullnullnullnull b null nullnullnullnull c null nullnullnullnull 拟合 优度 R null null nullnullnull 以上述式 null 为脊线 式 null 为素线 构造仿生栽 植器 null的轮廓曲面 null 仿生栽植器 null设计 研究表明 nullnullnullnullnull 蜣螂的 凸包直径约为 nullnullnullnullnullnull 当蜣螂在土壤中挖掘时 每 个接触单元的直径约为 nullnullnull nullnull 是凸包直径的 nullnull null nullnullnull 倍 通过面积换算 栽植器直径为 nullnullnullnullnull 根据 相似原理 栽植器外表面上凸包直径的适当范围为 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 结合高巧玲 高峰 nullnullnullnullnull 等人的凸包单元体 尺寸和颗粒参数研究 取凸包直径 D null nullnullnull 高度 H null nullnullnull 中心间隔距离 S null nullnullnull 结合鸭嘴栽植器实际 粘土的主要部位 凸包非光滑结构增设于栽植器最底 端 nullnullnull 至最大栽深的位置处 null 仿生栽植器制造 通过 nullnull 打印 焊接 手动打 磨分别制造出仿生栽植器 null和仿生栽植器 null 如图 null null null 所示 手工打磨仿生栽植器与土体接触表面 的表面粗糙度与如图 null null 所示的原型栽植器一致 2 试验设计与方法 2 1 试验设计 对原型栽植器和两种仿生栽植器进行试验研究 主要目的在于探索仿生栽植器减粘脱附的效果以及 影响因素 null 种栽植器 栽植器粘附土壤量的主要影 响因素土壤含水率 栽植深度 栽植频率 参数的取值 与实际栽植情况相适应 组成了影响栽植器粘附土 壤量的 null 个因素 每个因素取 null 个水平 构成了一个 null nullnullnull nullnullnullnull 年 null 月 农 机 化 研 究 第 null 期 因素 null 水平的正交试验 如表 null 所示 对于 null 因素 null 水平的试验选择 nullnull null null 正交试验表 试验方案及结果 如表 null 所示 表 null 中 M 为试验指标栽植器粘附土壤 量 M ij 为第 i 因素 j 水平所对应的粘附土壤量 M ij 为 M ij 的平均值 由 M ij 的大小可判断因素 i 的优水平 各 因素的优水平组合即为最佳组合 R i 为第 i 因素的极 差 反应了第 i 因素水平变动时试验指标的变动幅度 R i 越大 该因素对试验指标的影响越大 也越重要 因此 根据极差 R i 的大小就可以判断因素的主次 图 null null 种栽植器实物图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull 表 null 试验因素及水平 nullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull 水平 栽植器类型 null 土壤含水率 nullnullnull 栽植频率 nullnull株 nullnullnull nullnull 栽植深度 nullnullnullnull null 原型栽植器 nullnullnullnull nullnull nullnull null 仿生栽植器 null nullnullnullnull nullnull nullnull null 仿生栽植器 null nullnullnullnull nullnull nullnull 表 null 试验方案及结果 nullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 试验号 因素 栽植器类型 null 土壤含水率 Bnullnull 栽植频率 nullnull株 nullnullnull nullnull 栽植深度 Dnullnullnull 平均粘附土壤量 Mnullnull null 原型栽植器 null nullnullnullnull null nullnull null nullnull null nullnullnullnullnull null 原型栽植器 null nullnullnullnull null nullnull null nullnull null nullnullnullnullnullnull null 原型栽植器 null nullnullnullnull null nullnull null nullnull null nullnullnullnullnullnull null 仿生栽植器 null null nullnullnullnull null nullnull null nullnull null nullnullnullnullnull null 仿生栽植器 null null nullnullnullnull null nullnull null nullnull null nullnullnullnullnull null 仿生栽植器 null null nullnullnullnull null nullnull null nullnull null nullnullnullnullnullnull null 仿生栽植器 null null nullnullnullnull null nullnull null nullnull null nullnullnullnullnull null 仿生栽植器 null null nullnullnullnull null nullnull null nullnull null nullnullnullnullnullnull null 仿生栽植器 null null nullnullnullnull null nullnull null nullnull null nullnullnullnullnull M inull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull M inull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull M inull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 极差 R i nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 优水平 null null null null null null null null 主次因素 nullnullnullnull 最优组合 null null null null null null null null nullnullnull nullnullnullnull 年 null 月 农 机 化 研 究 第 null 期 2 2 试验方法 试验在贵州大学机械工程学院农业机械实验室 自制移栽试验平台进行 如图 null 所示 试验台由栽植 机构 投苗机构 行走机构 机架及控制系统组成 在 土槽上可正常进行移栽作业 试验土壤取自贵州大 学农场试验田 是典型的黄壤土 土质为黏壤土 试验 前对土槽内的土壤进行细碎 平整处理 土槽总长 nullnullnull 宽 nullnull 土槽内墒高 nullnullnullnullnull 墒面宽 nullnullnullnullnull 通 过在土槽内用喷雾器洒水并结合土壤含水率感官识 别方法 获得试验土壤所需的 null 种含水率 经干燥法 测试得到土壤含水率为 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 栽植 频率 null 水平设定为 nullnull nullnull nullnull 株 nullnullnullnull 栽植深度 null 水平 设置为 nullnull nullnull nullnullnullnull 每组试验重复 null 次 每次栽植 nullnull 株 每次试验完成后用硬毛刷将粘附在栽植器外壁 上的土壤刮下称重 去掉最大值和最小值 取剩余 null 次试验的平均值作为粘附土壤量的值 为保证试验 的可重复性 每次试验后会对土壤进行翻土 碎土 刮 平处理 图 null 移栽试验平台 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull 3 试验结果与分析 由表 null 得到的试验结果可知 null 个因素对试验指 标影响大小的顺序依次为 null null null null 即土壤含水率 栽植深度 栽植器类型 栽植频率 土壤含水率的极差 最大 即是对试验指标影响最大的因素 试验发现 当含水率为 nullnullnullnullnull时 null 种栽植器的粘附土壤均较少 且质量接近 当土壤含水率增大到 nullnullnullnullnull与 nullnullnullnullnull时 原型栽植器已经粘土严重 仿生栽植器 null虽有一定的 土壤粘附 但是减粘效果明显 栽植深度对试验指标 的影响仅次于土壤含水率 对于同一栽植器 插入土 壤的深度越深 栽植器与土壤的接触面积越大 栽植 器粘附土壤量自然也就越多 影响因素中 栽植频率 对试验指标的影响最小 在黏重土壤中进行栽植作业 时可适当的提高栽植器的栽植频率 以提高移栽作业 的整体效率 通过正交试验得出的最优组合为 null null null null null null null null 即选 用仿生栽植器 null 土壤含水率为 nullnullnullnullnull 入土深度为 nullnullnullnull 栽植频率为 nullnull 株 nullnullnullnull 时 栽植器粘附土壤量 最小 为最优结果 根据表 null 中得到的最优组合条 件 使用原型栽植器和仿生栽植器 null在含水率为 nullnullnullnullnull 栽植频率为 nullnull 株 nullnullnullnull 栽植深度分别为 nullnull nullnull nullnullnullnull 进行对比试验 试验共 null 组 试验步骤与上 述试验步骤相同 试验方案及结果如表 null 所示 试验 中 在最优组合条件下 栽植器的平均粘附土壤量为 nullnullnullnullnullnull 均小于其他组合的粘附土壤量 表明该组合为 最优组合 图 null 为两种栽植器平均粘附土壤量对比 在含水率为 nullnullnullnullnull 栽植频率为 nullnull 株 nullnullnullnull 栽植深度 分别为 nullnull nullnull nullnullnullnull 的条件下 仿生栽植器 null的平均 粘附土壤量相比原型栽植器的平均粘附土壤量分别 减少 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 综上所述 仿生栽植器 null 相比另外两种栽植器具有良好的减粘降阻效果 表 null 两种栽植器对比试验方案及结果 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 栽植器类型 土壤含水率 nullnull 栽植频率 null株 nullnullnull nullnull 栽植深度 nullnullnull 粘附土壤量 nullnull 平均值 nullnull 原型栽植器 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 仿生栽植器 null nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull 年 null 月 农 机 化 研 究 第 null 期 图 null 两种栽植器粘附土壤量对比 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 4 结论 null 根据翠鸟嘴部外轮廓曲线 野猪吻突部位曲线 结合蜣螂体表凸包非光滑结构设计出两种仿生栽植 器 通过 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 建立其三维模型 并通过 nullnull 打印 加工出仿生栽植器 null 通过自制移栽试验平台正交设计试验可知 影 响栽植器粘附土壤量的主要因素为土壤含水率 次要 因素为栽植深度 栽植频率影响最小 null 由对比验证试验可知 在土壤含水率为 nullnullnullnullnull 栽植频率 nullnull 株 nullnullnullnull 栽植深度为 nullnull nullnull nullnullnullnull 时 仿 生栽植器 null的粘附土壤量相比于原型栽植器的粘附 土壤量分别减少 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 表明设计的仿 生栽植器 null具有良好的减粘降阻效果及实际的工程 应用价值 参考文献 null 刘国敏 null蚯蚓体表减粘降阻功能耦合仿生研究 null 长春 吉林大学 nullnullnullnullnull null 朱凤武 佟金 null土壤深松技术及高效节能仿生研究的发展 null null吉林大学学报 工学版 nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull null 任露泉 佟金 李建桥 等 null松软地面机械仿生理论与技术 null null农业机械学报 nullnullnullnull null nullnullnullnull null 张金波 佟金 马云海 null仿生减阻深松铲设计与试验 null null农 业机械学报 nullnullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull null 赵淑红 刘宏俊 谭贺文 等 null仿旗鱼头部曲线型开沟器设 计与性能试验 null null农业工程学报 nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnull null 王兆亮 null起垄铲仿生设计及其降阻特性分析 null null长春 吉 林大学 nullnullnullnullnull null 赵雄 马行潇 高巧玲 等 null仿生减阻树木移植机铲片设计 与试验 null null农业工程学报 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnull null 杨玉婉 佟金 马云海 等 null基于鼹鼠多趾结构特征的仿生 切土刀片设计与试验 null null农业机械学报 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null 齐文溥 null 仿生设计在高速列车头型 车灯设计中的应用 null null成都 西南交通大学 nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null null null nullnull 高巧玲 null植树机动臂机构的参数优化设计及其铲片减阻 技术研究 null null杭州 浙江理工大学 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull 高峰 孙慧 肖林京 等 null凸包形仿生非光滑表面的脱附性 能研究 null null煤矿机械 nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnull Design and Experiment of Bionic Planter in Heavy Soil nullnullnullnull nullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull Abstract nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 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